ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1996 года по МПК H01S3/09 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в системах накачки газовых лазеров, в частности СО₂-лазеров.

Известен газовый лазер [1] содержащий внешний высокочастотный (ВЧ) генератор для возбуждения активной среды лазера.

Однако данный лазер имеет невысокий КПД в случае изменяющегося импеданса газоразрядной трубки в процессе работы. При этом уменьшается отдаваемая лазером световая мощность.

Известен газовый лазер [2] содержащий ВЧ-генератор, согласующее устройство в виде П-образного четырехполюсника, передающий кабель и лазерный излучатель. Согласующее устройство обеспечивает равенство выходного импеданса ВЧ-генератора с импедансом лазерной трубки при первоначальной настройке лазера.

Однако для нормальной работы волновое сопротивление передающего кабеля должно быть также равно пересчитанному активному сопротивлению входного импеданса лазерной трубки в различных режамах излучения, а реактивные составляющие при этом скомпенсированы. В виду производственного разброса параметров конкретных экземпляров лазеров в согласующем устройстве требуются подстроечные элементы.

В качестве прототипа выбран газовый лазер [3] содержащий последовательно включенные ВЧ-генератор, направленный ответвитель, блок согласования и излучатель лазера. Лазер включает в себя устройство для согласования изменяющихся импедансов (вариконд или варикап) лазерной трубы с выходным импедансом ВЧ-генератора, средство для обнаружения изменения импеданса лазерного излучателя, например направленный ответвитель, средство для изменения импеданса устройства согласования, включающее в себя детектор, фильтр, регулирующий усилитель постоянного тока, эффективное средство зажигания разряда, включающее в себя средство согласования импеданса, представляющее собой настроенный резонансный контур из индуктивности и конденсатора.

Недостатки подобного решения состоят в том, что при долговременном изменении параметров лазера либо изменении параметров при управлении лазерным излучением (например, внешней регулировке его отдаваемой мощности) полное согласование недостижимо, что снижает КПД лазера. Кроме того, не достигается взаимозаменяемость составных частей лазера из-за производственного разброса электрических параметров лазерных трубок.

Технической задачей изобретения является повышение КПД, надежности и стабильности оптимального режима работы в условиях производственного разброса параметров лазерных трубок, изменение их параметров при долговременной работе и при внешнем изменении режима излучения.

Это достигается тем, что в газовый лазер, содержащий последовательно включенные высокочастотный генератор, направленный ответвитель, кабель, блок согласования и излучающую лазерную головку, введены фазовращатель, первый и второй перемножители, первый и второй интеграторы, причем первые входы обоих перемножителей подключены к ответвляющему выходу направленного ответвителя, второй вход первого перемножителя соединен непосредственно с выходом высокочастотного генератора, а второй вход второго перемножителя соединен с выходом генератора через фазовращатель, выходы первого и второго перемножителей через соответственно первый и второй интеграторы подключены к второму и третьему входам блока согласования, при этом блок согласования содержит первый, второй и третий регулируемые элементы, первый регулируемый элемент соединен с первым и вторым входами блока согласования и корпусом устройства, третий регулируемый элемент с выходом и третьим входом блока согласования и корпусом устройства, а второй регулируемый элемент с первым и третьим входами и выходом блока согласования.

Технических решений, в которых использованы отличительные признаки заявляемого решения, из источников информации не выявлено, следовательно, оно отвечает критерию изобретения "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена структурная схема газового лазера; на фиг. 2 изображены схемы, поясняющие вывод формул; на фиг. 3 показан пример выполнения блока согласования.

Газовый лазер содержит ВЧ-генератор 1, лазерный излучатель 2, направленный ответвитель 3, блок 4 согласования, фазовращатель 5 на 90^о, первый 6 и второй 7 перемножители, первый 8 и второй 9 интеграторы, первый 10, второй 11 и третий 12 регулируемые элементы блока согласования, ВЧ-кабель 13, дроссели 14-17, индуктивности 18, 19, варикапы 20, 21, 22, конденсаторы 23-27.

Газовый лазер работает следующим образом.

ВЧ-генератор 1 вырабатывает высокочастотный сигнал, который через направленный ответвитель 3 передается по ВЧ-кабелю 13, проходит через блок 4 согласования и питает лазерную головку 2. Выходное сопротивление генератора равно волновому сопротивлению кабеля и представляет собой постоянную стандартную величину. Входной импеданс лазерной головки Z_вхимеет комплексный характер, меняющийся при изменении режима работы, при переходе от экземпляра к экземпляру и с течением времени. Для его согласования с волновым сопротивлением кабеля W служит блок 4 согласования. В случае его отсутствия из-за неравенства Z_вх и W большая часть ВЧ-энергии отражается обратно, при этом падает КПД. Блок 4 согласования образован подстроечными элементами 10, 11, 12, соединенными по П-образной схеме. Номиналы всех элементов могут регулироваться внешним напряжением с управляющих второго и третьего входов блока согласования. Сигналы на эти входы поступают с выходов первого 8 и второго 9 интеграторов, которые вырабатывают напряжения, пропорциональные интегралам по времени от выходных напряжений первого 6 и второго 7 перемножителей. На первый вход обоих перемножителей поступает сигнал от направленного ответвителя, а на вторые входы от ВЧ-генератора. Сигнал ВЧ-генератора, поступающий на второй вход второго перемножителя, предварительно сдвигается по фазе на 90^о в фазовращателе 5. Направленный ответвитель 3 построен таким образом, что ответвляет определенную часть мощности, отраженной от нагрузки кабеля, причем сигнал от ВЧ-генератора в ответвленное напряжение не попадает.

Принцип работы устройства основан на следующем. Блок 4 согласования должен перестроить номиналы элементов 10, 11, 12 таким образом, чтобы достичь минимального уровня отраженной мощности Р_отр, близкого к нулю. Сами элементы выполнены реактивными, поэтому в них ВЧ-энергия не поглощается. Таким образом, при Р_отр _→ 0 вся мощность, вырабатываемая генератором, попадает в нагрузку.

Для управления перестройкой элементов блока 4 согласования используется информация, заключенная в отраженном сигнале. Действительно распределение комплексной амплитуды падающей волны вдоль длинной линии, которую представляет собой кабель 13, описывается уравнением
(x)=(0)e^-βx, где (0) комплексная амплитуда в начале линии; х пространственная координата вдоль линии; β коэффициент фазы, зависящий от марки кабеля.

При длине кабеля l сигнал на входе блока согласования равен (0)e^-βl Если согласование отсутствует (коэффициент отражения 0), то отраженный сигнал в конце кабеля (l)= (0)e^-βl. Вдоль координаты Х отраженный сигнал описывается формулой (x)=(l)e^-β(l-x) На входе кабеля (0)= (l)e^-βl=U_пад(0)e^-2βl.

Таким образом, отношение отраженного сигнала к падающему на входе кабеля равно e^-2βl
Кабель 13, подводящий энергию к блоку согласования, выбирается определенной длины так, чтобы 2 β l 2 π k, где k целое, т.е. длина должна быть кратна отрезку величиной Δx При этом e^-βl=1 коэффициент =(0)/(0) может быть измерен отдельно.

В то же время
, где Z_вх входной импеданс блока согласования. С учетом того, что Z_вх=R_вх+jХ_вх, преобразуют
.
Действительная часть коэффициента
Re{} , (1)
мнимая часть
Im{} . (2)
Отраженная мощность P_отр=P.

Управление перестройкой блока согласования должно осуществляться так, чтобы минимизировать Р_отр. Регулируемые элементы 10, 11, 12 блока 4 согласования (фиг. 1) имеют реактивные сопротивления Z₁, Z₂, Z₃соответственно.

Перестройку параметров Z₁, Z₂, Z₃ элементов блока настройки необходимо осуществлять по закону
где коэффициенты а₁, а₂, а₃ могут изменяться, но всегда остаются положительными. В этом случае подстройка приводит к Р_отр _→ 0. Технически это осуществляется следующим образом.

Случаю Р_отр= 0 соответствует ситуация R_вх _→ W, Х_вх_→ 0. Рассматривая формулы (1) и (2), видим, что знак величины Im{} совпадает со знаком Х_вх, Sign(Im{})=Sign(X_вх), а когда Х_вх=0, то Im{}0.

Если более быстрой перестройкой Х_вх уже обеспечено равенство Х_вх=0, то знак (R_вх-W) совпадает со знаком Re{}
Sign(Re{ } )=Sign(R_вх-W), кроме того, при R_вх-W=0 также выполняется равенство Re{}0.

Важной является пропорциональность функций Re{ } Im{ } и величин (R_вх-W), Х_вх, а коэффициент пропорциональности значения не имеет, влияя лишь на скорость подстройки.

Напряжения, пропорциональные функциям Re{ } и Im{} вырабатываются в перемножителях 6 и 7. Действительно на выходе перемножителя вырабатывается напряжение U_n=, где знак "-" означает усреднение по времени; и входные сигналы перемножителя; знак "*" означает комплексное сопряжение.

Пусть генератор вырабатывает сигнал U_г= (0)e^jωo^t где ω_o- частота колебаний. Тогда отраженный сигнал, поступающий на оба перемножителя, U_отр= (0)e^jωo^t=(0)e, поскольку e^-βl1.

В результате их перемножения на выходе первого перемножителя 6 образуется сигнал (без учета собственного коэффициента передачи перемножителя)
U_1п= Re{} P_падRe{}Re{}
так как (e^jωo ^t)^* e^jωo ^t.

Он пропорционален Re{} так как мощность генератора постоянна.

Напряжение на выходе второго перемножителя U_2n=Re{} где знак "≈ " означает фазовый сдвиг на 90^о в фазовращателе 5. Тогда = (0)e^j(ωo^t+π/2)=jU_отр(0)e^jωo^t.

Тогда URe{ j}Im{} т.е. выходное напряжение второго перемножителя 7 пропорционально мнимой части коэффициента отражения. Следовательно, оба напряжения указывают на необходимое направление изменений Х_вх и (R_вх-W).

Величины Х_вх и R_вх зависят от номиналов элементов 10, 11, 12 Z₁, Z₂, Z₃ и входного импеданса Z₄ лазерной головки.

Для удобства расчет этих зависимостей производят в терминах проводимостей. Естественно, необходимое направление перестройки проводимости противоположно необходимому направлению перестройки сопротивления. Обозначим через g_н и l_н действительную и мнимую части проводимости нагрузки лазерной головки, y_н=g_н+jb_н.

Элементы 10, 11, 12 блока согласования реактивные для того, чтобы не поглощалась активная ВЧ-мощность генератора, т.е.

y₁ jb₁; y₂ jb₂; y₃ jb₃.

Тогда входная проводимость блока согласования
y_вх +jb_вх=jb₁ + jb₁ +
+ jb₁+jb
Таким образом, ее действительная и мнимая составляющие
(3)
От величины b₁ зависит только входная реактивная проводимость, следовательно, регулировка по b₁ может быть осуществлена независимо от других.

Входные проводимости и сопротивления связаны соотношением для параллельного эквивалента (см. фиг. 2).

Z_вх=R_вх+jX_вх
Отсюда
R_вх X_вх.

Знак реактивной проводимости обратный по отношению к реактивному сопротивлению, т.е. Sign b_вх=-Sign U_2п.

С помощью изменения величины l₁ изменяется b_вх таким образом, чтобы обеспечить b_вх _→ 0. Если b_вх > 0, то необходимо уменьшать b₁, если b_вх <0, то необходимо увеличивать b₁, те. ∂b₁/ ∂ t должен быть пропорционален (-b_вх), ∂b₁/∂t= -Ab_вх=AsignU_2п, где А положительный коэффициент пропорциональности. Важно, что знак А постоянен, а изменение А по времени влияет только на скорость настройки.

Тогда b₁ U_2пdt, где Т₁ постоянная времени интегрирования, это осуществляется с помощью первого интегратора 8. Напряжение на выходе этого интегратора изменяется до тех пор, пока его входной сигнал не станет равным нулю. Это соответствует случаю b_вх=0, Х_вх=0, а достигается изменением величины элемента 10 с помощью выходного сигнала интегратора 8.

Постоянная времени первого интегратора 8 выбрана много больше постоянной времени второго интегратора 9. Поэтому перестройка проходит много быстрее, чем R_вх. Когда Х_вх станет близким к нулю, то R_вх=1/g_вх, увеличение g_вх прямо пропорционально уменьшению R_вх. В то же время знак Sign U_1п=Sign(R_вх-W) указывает на соотношение R_вх и W, т.е. в каком направлении изменять Rвх, чтобы обеспечить R_вх=W, следовательно, и в каком направлении изменять g_вх.

Управление g_вх производится одновременной регулировкой величин b₂ и b₃. Основная регулировка производится с помощью изменения b₂, а b₃изменяется зависимо от b₂ в направлении, противоположном изменению b₂таким образом, чтобы сумма b₂+b₃=b_ост была равна небольшой остаточной величине, близкой к нулю. В этом случае знаменатель дроби формулы (3)
g2н

Необходимо, чтобы величина элемента b₁ могла быть как больше, так и меньше нуля.

В отношении величины элемента b₂ достаточно, чтобы она менялась от нуля в одном из направлений (напиример, b₂ ≥0 ), тогда b₃ должна быть меньше нуля или наоборот.

Если R_вх-W<0, то R_вх надо увеличивать, g_вх уменьшать b₂ уменьшать, если R_вх-W<0, то R_вх надо уменьшать, g_вх увеличивать, b₂ увеличивать, т.е. b₂ должна управляться по закону
Asign(R_вх-W)= AsignU_1п, где А положительный коэффициент пропорциональности. Таким образом,
b₂ U_1пdt, где Т₂ постоянная времени интегрирования. Это осуществляется с помощью второго интегратора 9. На его выходе напряжение меняется до тех пор, пока на входе сигнал не станет равным нулю, что соответствует выполнению равенства R_вх=W. Измнение выходного напряжения интегратора управляет перестройкой b₂, тем самым изменяя g_вх и R_вх. Равенство нулю сигналов на входах обоих интеграторов соответствует отсутствию отраженной мощности Р_отр= 0, т. е. полному согласованию блока 4 согласования с фидером 13 и лазерным излучателем 2.

Если в процессе работы параметр g_н или b₄ изменяется, то равеновесие нарушается, U_1п или U_2п не станет равным нулю, выходное напряжение интеграторов начинает изменяться, изменяя значения b₁, b₂, b₃и с ними R_вх, Х_вх до тех пор, пока вновь это изменение не уравновесится. Изменение величины b₃ производится одновременно с b₂ и для этого используется тот же сигнал второго интегратора 9.

Устройство в целом осуществляет беспоисковый режим слежения за изменениями входного импеданса лазерной головки и их компенсации как в динамическом режиме работы, так и при долговременной эксплуатации, а также при замене конкретного экземпляра головки другим.

Вариант практической реализации управляемого блока согласования представлен на фиг. 3. На первый вход подается ВЧ-сигнал с кабеля 13, выход подключен к лазерной головке 2. Управляющие напряжения U_упр1 и U_упр2 подаются соответственно на второй и третий входы блока согласования, на схему через дроссель 17 также подается постоянное напряжение "подпорки" U_п, уровень которого определяется маркой конкретных используемых варикапов.

Схема согласования работает следующим образом. Номиналы дросселей 14-17 выбраны таким образом, чтобы для ВЧ-сигнала они представляли осбой большое сопротивление (Х_gp>> W). При этом низкочастотные управляющие сигналы через них проходят практически без изменений, а для ВЧ-сигналов они представляют собой разрыв цепи.

Конденсаторы 23-25, 27 выбирают большой емкости, чтобы на рабочих частотах их реактивное сопротивление было очень малым (Х_с<< W). Тогда для ВЧ-сигнала их присутствие можно не учитывать, а для управляющих сигналов они представляют собой разрыв цепи. Конденсатор 26 вспомогательный.

Таким образом, для ВЧ-сигнала блок в целом имеет П-образную структуру, элемент 10 составлен из параллельно соединенных индуктивности 19 и варикапа 22, элемент 11 из параллельно соединенных индуктивности 18 и варикапа 20, элемент 12 из варикапа 21 и параллельно ему конденсатора 26.

На варикап 22 подается управляющее напряжение U_упр1 ≥ 0, на варикап 20 напряжение U_упр2 ≥0. Напряжение "подставки" постоянно по времени и больше, чем U_упр2. На варикапе 21 присутствует управляющее напряжение U_упр=U_п-U_упр2. С ростом U_упр2 напряжение U_упр3 одновременно уменьшается.

Емкость варикапов может меняться под воздействием управляющего напряжения в определенных пределах С_min-C_max. Соответственно меняется их реактивное сопротивление.

Элемент 11 состоит из последовательно включенных индуктивности 19, конденсатора 27, параллельно им варикапа 22 и последовательно с этой цепью конденсатора 23. Реактивные сопротивления конденсаторов 23 и 27 на рабочей частоте Х₂₃<<Х₁₉. Х₂₇<<Х₁₉ много меньше сопротивления индуктивности 19. Конденсатор 23 служит для замыкания цепи по ВЧ-сигналу на землю. Конденсатор 27 препятствует закорачиванию управляющего напряжения U_упр1 на землю через индуктивность 19. На ВЧ-сигнал они не влияют и в дальнейшем их можно не учитывать.

При изменении емкости варикапа 22 С₂₂ от С_22min до C_22max ее проводимость меняется от b_22min= ωС_22min до b_22max= ωC_22max. Номинал индуктивности 19 выбирается таким образом, чтобы ее проводимость b₁₉= -1/(ωL₁₉) (b_22max+b_22min). При этом с изменением емкости варикапа 22 от С_min до C_max суммарная проводимость элемента 11 b₁=B₁₉+b₂₂ меняется от (b_22max-b_22min) до (b_22max-b_22min), проходя через ноль, как и требуется алгоритмом управления.

Элемент 11 составлен из последовательно соединенных индуктивности 18, конденсатора 25 и параллельно им варикапа 20. Номинал конденсатора 25 С₂₅ таков, что его сопротивление X₂₅ ≪ X₁₈=ωL₁₈ и его присутствие на ВЧ-сигнале не сказывается. Он здесь необходим лишь для того, чтобы индуктивность 18 не замыкала по постоянному току управляющее напряжение U_упр2 на землю.

Емкость варикапа 20 может меняться в пределах от С_20min до C_20max. Индуктивность L₁₈ выбирают таким образом, чтобы проводимость элемента 11 b_2min= + ωC_20min=0. При этом обеспечивается требуемый для осуществления алгоритма интервал изменения b₂ от нуля до b_2max= + ωC_20max.

Интервал изменения b₃ должен быть такой же, т.е. b_3max-b_3min=b_2max; C_3max--C_3min=C_2max-C_2min.

Конденсатор 26 дополнительный, он используется только если в конкретном случае необходимо подстроить диапазоны совместного изменения емкостей варикапов 20 и 21. Напряжение "подставки" U_п выбирается, исходя из конкретных типов используемых варикапов по их регулировочным характеристикам.

Большинство конкретных типов варикапов имеет отрицательный наклон характеристики С(U_упр). Если используются такие варикапы, у которых проводимость уменьшается с увеличением управляющего напряжения, то интеграторы 8 и 9 должны вырабатывать сигнал вида U_вых= U_вхdt т.е. равный интегралу, взятому с обратным знаком, что легко реализуемо практически. Возможны и другие варианты конкретной реализации схемы блока согласования.

Использование заявляемого устройства в целом позволит повысить КПД и обеспечить стабильность и надежность работы лазерной головки в различных режимах и условиях эксплуатации.

Использование: в квантовой электронике, а именно в системах накачки газовых лазеров, в частности CO₂-лазеров. Сущность изобретения: в газовый лазер, содержащий последовательно включенные генератор высокочастотной мощности, направленный ответвитель, кабель, блок согласования и излучатель лазера, введены фазовращатель, первый и второй перемножители, первый и второй интеграторы. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, содержащий последовательно включенные высокочастотный генератор, направленный ответвитель, кабель, блок согласования и излучатель лазера, отличающийся тем, что в него введены фазовращатель, первый и второй перемножители, первый и второй интеграторы, причем первые входы обоих перемножителей подключены к ответвляющему выходу направленного ответвителя, второй вход первого перемножителя соединен с выходом высокочастотного генератора через фазовращатель, а второй вход второго перемножителя соединен непосредственно с выходом высокочастотного генератора, выходы первого и второго перемножителей через соответственно первый и второй интеграторы подключены соответственно к второму и третьему входам блока согласования, при этом блок согласования содержит первый, второй и третий регулируемые элементы, первый регулируемый элемент блока согласования соединен с первым и вторым входами блока согласования и корпусом устройства, третий регулирующий элемент - с выходом и третьим входом блока согласования и корпусом устройства, а второй регулируемый элемент - с первым и третьим входами и выходом блока согласования. 2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что блок согласования выполнен по П-образной схеме и в качестве регулируемых элементов использованы варикапы.